Способ модифицирования жаропрочных никелевых сплавов

Изобретение относится к литейному производству, в частности к модифицированию жаропрочных никелевых сплавов ультрадисперсными порошками тугоплавких соединений. Способ включает введение в расплав модификатора, содержащего ультрадисперсные тугоплавкие частицы и дополнительно 55-65 % частиц металлов, взаимодействующих с компонентами расплава. Модификатор вводят в расплав, нагретый до 1520-1620°С, в виде брикета с плотностью 1,02-1,10 от плотности расплава и пористостью 0,5-4,0 об. %. Изобретение позволяет вводить модификатор без значительных изменений конструкции плавильно-заливочного оборудования, а также обеспечивает равномерность распределения тугоплавких частиц по объему расплава и предотвратить растворение, коагуляцию и всплытие тугоплавких частиц, что повлечет за собой получение сплава с высокими прочностными характеристиками и мелкозернистой однородной структурой. 1 табл., 1 пр.

 

Изобретение относится к литейному производству, в частности к модифицированию жаропрочных никелевых сплавов ультрадисперсными порошками тугоплавких соединений.

Повышение эффективности и надежности работы изделий, применяемых в авиации, космонавтике, автомобилестроении, теплоэнергетике, в газовом хозяйстве, во многом определяется достигнутым уровнем служебных характеристик литых изделий из никелевых жаропрочных сплавов. Прогресс в этой области связан с использованием технологических приемов физического и химического воздействия на жидкий металл в процессе плавки, разливки, сварки. Достижение высокого уровня физико-механических свойств металла и производства годных изделий высокого качества требует решения комплекса задач практического и теоретического плана, связанного с выплавкой и формированием требуемой структуры отливок. Существенные резервы управления структурой и служебными свойствами отливок открывают использование методов энергетического воздействия на жидкий металл, среди которых важное место занимают модифицирование ультрадисперсными порошками (УДП) и высокотемпературная обработка расплавов (ВТОР).

Обзор предшествующего уровня техники показал, что известны способы обработки никелевых сплавов модификаторами в жидком состоянии, например, щелочно-земельными металлами или редкоземельными элементами, при которой в металлический расплав при заданных условиях вводят модифицирующие элементы, после чего осуществляют разливку расплава (а.с. СССР 369162 А1, С22С 1/03, 01.01.1973 и а.с. СССР 320340 А1, B22D 21/00, 01.01.1971 соответственно).

Также из уровня техники известен способ получения отливок, в котором брикет модификатора, содержащий никель, хром и молибден, вводят в расплав, находящийся при температуре 1900°С за 3-5 минут до слива расплава в изложницу для обеспечения равномерности распределения добавок в сплаве (патент РФ 2337167 C2, 27.10.2008).

Основным препятствием для прямого введения дисперсных синтетических тугоплавких частиц в металлические расплавы являются высокие значения поверхностных натяжений расплавов и наличие загрязнений на поверхности порошков.

Основным недостатком известных методов суспензионного модифицирования является неоднородность суспензии, обусловленная неравномерным распределением частиц в объеме расплава, возможностью седиментации по плотности и низкой устойчивостью от коагуляции и растворения. Достижения теории и практики активного воздействия на расплав при раскислении, микролегировании и модифицировании позволяют утверждать, что устранение этого недостатка обеспечит значительный эффект в направленном воздействии на структуру металла и повышение физико-механических свойств отливок.

В то же время практический интерес представляет другой метод модифицирования, который заключается в введении тугоплавких частиц в жидкий металл в виде брикета. Данный метод наиболее целесообразно применять при значительных объемах модифицируемого металла.

В качестве наиболее близкого аналога данного изобретения может быть получение монокристальной отливки, при котором расплав никелевого сплава подвергают модифицированию смесью ультрадисперсных порошков тугоплавкого соединения, такого как карбиды и/или нитриды, и/или карбонитриды, и/или оксикарбонитриды титана или ниобия, и одного из металлов, образующих с ним устойчивые химические соединения, в количестве не более 0,1% от массы обрабатываемого расплава, затем расплав заливают в литейную форму, нагретую до температуры выше температуры ликвидуса сплава, и проводят направленную кристаллизацию (патент РФ 2068317 С1, B22D 27/04, 27.10.1996). Полученные монокристальные отливки обладают высокими механическими и служебными свойствами и могут быть использованы при изготовлении турбинных лопаток.

Задача, решаемая в результате реализации заявленного изобретения, заключается в разработке технологии введения модификатора в жидкий металл с учетом технологических и технических требований существующего процесса изготовления отливок.

Технический результат – создание простого способа введения модификатора без значительных изменений конструкции плавильно-заливочного оборудования литейного комплекса, обеспечение равномерности распределения тугоплавких частиц по всему объему расплава, находящегося в плавильной емкости, и предотвращение растворения, коагуляции и всплывания тугоплавких частиц, что повлечет за собой получение сплава с высокими прочностными характеристиками и мелкозернистой однородной структурой.

Для достижения технического результата в способе модифицирования никелевых сплавов, при котором в расплав вводят модификатор, содержащий ультрадисперсные тугоплавкие частицы, используют модификатор, который дополнительно содержит 55-65 мас. % частиц металлов, взаимодействующих с компонентами расплава, причем модификатор вводят в расплав, нагретый до 1520-1620°С, в виде брикета с плотностью 1,02-1,10 от плотности расплава и пористостью 0,5-4,0 об.%.

Количество содержащихся в модификаторе частиц металлов определено из условия протекания экзотермической реакции, а именно теплового эффекта реакции, который обеспечивает самораспространяющийся фронт реакции и послойное отделение частиц модификатора, и их диффузию в объем расплава. При содержании частиц металлов ниже 55 мас. % тепловой эффект реакции не достаточен для создания в порах брикета давления, достаточного для равномерного распределения частиц модификатора, а превышение 65 мас. % приведет к спеканию частиц модификатора.

Плотность брикета обусловлена необходимостью равномерного распределения модификатора по объему расплава, причем плотность брикета ниже 1,02 от плотности расплава препятствует погружению брикета в расплав и способствует концентрированию модификатора в верхней части расплава. Превышение плотности в 1,1 от плотности расплава приводит к быстрому погружению брикета в расплав и скапливанию модификатора и нижней части расплава.

Для обеспечения равномерного отделения частиц модификатора друг от друга в результате протекания экзотермической реакции по мере погружения в расплав брикет имеет пористость от 0,5 до 4,0 об.%. Пористость менее 0,5 об. % препятствует отделению частиц модификатора друг от друга, а более 4,0 об.% приводит к распаду брикета в верхней части расплава и загрязнению модификатора газовыми примесями. При попадании в жидкий металл брикет начинает нагреваться, и содержащиеся в нем легкоплавкие элементы начинают выделять газы при СВС процессах, которые сначала попадают в поры брикета, где состоят в дальнейшем большое и избыточное давление, в результате дальнейшего нагрева брикета и за счет этих сил (газа) происходит разрушение брикета на большое количество составляющих, которые в результате СВС процессов получают большую кинетическую энергию и равномерно разлетаются во все стороны по объему жидкого металла.

Температура нагрева расплава 1520-1620°С усиливает эффект модифицирования в 1,5-2,0 раз и обеспечивает выделение карбидов в компактной форме и измельчение макроструктуры, при этом при температуре выше 1620°С эффект измельчения макроструктуры практически полностью исчезает.

Пример

Порошки компонентов модификатора с заданными размерами частиц смешивают в следующем соотношении, мас. %: 3 карбонитрида титана, 20 титана, 3 хрома, 9 молибдена, 9 вольфрама, 9 ниобия, 10 алюминия, 10 магния, 7 железа, 10 никеля, 2 марганца. Из полученной смеси формируют брикет путем прессования при 20-40 МПа и спекания при температуре 850-900°С в вакууме в течение 25-30 мин. Брикет имеет плотность 1,05 от плотности расплава сплава и пористость порядка 2 об. %.

Модификатор вводят в расплав, нагретый до температуры 1550°С. Наибольшее измельчение зерна достигается в течение 3-4 минут после ввода модификатора в расплав. Отливку никелевого сплава с модифицированной макро- и микроструктурой получают путем электрошлакового литья.

Модифицирование позволяет получить никелевый сплав с однородной дендритной структурой с размером макрозерна 0,3-1,4 мм, содержащей глобулярные карбиды с размером 2-6 мкм.

Таблица 1

Физико-механические свойства сплава ЖС6-У


Объект исследования

Временное сопротивление разрыву, σв, МПа

Предел текучестиσ0,2, МПа

KCU,MДж/м2

Форма карбидов

Размер карбидов, мкм

Средний размер зерна, мм

ОСТ 90126-85

960

800

-

-

-

-

Сплав по прототипу

855

730

0,12

игольчатая

6-16

3-8

Сплав ЖС6У, модифицированный TiCN+Ti

1220

1070

0,32

глобулярная

0,7-3,2

0,3-1,4

Таким образом, модифицирование никелевых сплавов ультрадисперсными тугоплавкими частицами по предложенной технологии обеспечивает увеличение дисперсности структуры, снижение дендритной ликвации и возрастание механических и эксплуатационных свойств сплава.

Способ модифицирования жаропрочных никелевых сплавов, включающий введение в расплав модификатора, содержащего ультрадисперсные тугоплавкие частицы, отличающийся тем, что используют модификатор, содержащий дополнительно 55-65 % частиц металлов, взаимодействующих с компонентами расплава, причем модификатор вводят в расплав, нагретый до 1520-1620°С, в виде брикета с плотностью 1,02-1,10 от плотности расплава и пористостью 0,5-4,0 об. %.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области металлургии, в частности к составам сплавов, используемых для легирования серого чугуна. Сплав для легирования чугуна содержит, мас.

Изобретение относится к области металлургии, в частности к составам сплавов, используемых для легирования стали. Сплав для легирования стали содержит, мас.
Изобретение относится к области металлургии, а именно к модифицированию жаропрочных сплавов на основе никеля порошками тугоплавких соединений. Модификатор содержит, мас.%: ультрадисперсный порошок карбонитрида титана 1-5, порошки титана 18-22, хрома 2-4, молибдена 8-10, магния 10-15, вольфрама 8-10, ниобия 8-10, алюминия 10-15, никеля 8-10, марганца 2-5 и железа 5-10.

Изобретение относится к цветной металлургии, в частности к способам изготовления стандартных образцов состава лигатур на основе алюминия с аттестованным содержанием одного или нескольких легирующих химических элементов.

Изобретение относится к области металлургии, в частности к составам сплавов, используемых для легирования серого чугуна. Сплав для легирования чугуна содержит, мас.%: хром 15,0-20,0, кремний 10,0-15,0, марганец 3,0-4,0, углерод 1,0-1,5, теллур 0,2-0,4, гафний 6,0-8,0, самарий 1,0-1,5, железо - остальное.

Изобретение относится к области металлургии, в частности к составам сплавов, используемых для легирования серого чугуна. Сплав для легирования чугуна содержит, мас.%: хром 15,0-20,0; кремний 10,0-15,0; алюминий 5,0-10,0; марганец 3,0-4,0; углерод 1,0-1,5; теллур 0,2-0,4; бор 1,6-2,0; никель 10,0-15,0; серебро 3,0-4,0; железо - остальное.

Лигатура // 2626256
Изобретение относится к области металлургии, в частности к составам лигатур, используемых в производстве бронзы. Лигатура содержит, мас.%: алюминий 25,0-35,0; никель 15,0-20,0; молибден 8,0-10,0; железо 3,0-5,0; РЗМ 0,5-1,0; цирконий 15,0-25,0; медь - остальное.

Изобретение относится к области металлургии, в частности к составам сплавов, используемых для легирования серого чугуна. Сплав для легирования чугуна содержит, мас.

Лигатура // 2625148
Изобретение относится к области металлургии, в частности к составам лигатур, используемых в производстве сплавов на основе титана. Лигатура содержит, мас.

Изобретение относится к области металлургии, в частности к составам сплавов, используемых для легирования серого чугуна. Сплав для легирования чугуна содержит, мас.

Изобретение относится к получению материала на основе алюминида никеля. Способ включает приготовление экзотермической шихты путем смешивания порошков алюминия, оксида никеля и по крайней мере одной легирующей добавки и инициирование в экзотермической шихте металлотермической реакции с обеспечением восстановления оксидов и образования алюминида никеля.

Изобретение относится к технологии получения компактных полуфабрикатов из сплавов на основе интерметаллида TiNi. Способ включает гидридно-кальциевый синтез порошковой смеси, ее консолидацию путем прессования и вакуумного спекания с последующей термомеханической обработкой.
Изобретение относится к области металлургии, а именно к модифицированию жаропрочных сплавов на основе никеля порошками тугоплавких соединений. Модификатор содержит, мас.%: ультрадисперсный порошок карбонитрида титана 1-5, порошки титана 18-22, хрома 2-4, молибдена 8-10, магния 10-15, вольфрама 8-10, ниобия 8-10, алюминия 10-15, никеля 8-10, марганца 2-5 и железа 5-10.

Изобретение относится к получению заготовок из сплавов на основе интерметаллида TiNi. Способ включает приготовление порошковой смеси из TiO2, Ni и/или оксида никеля и гидрида кальция, термическую обработку полученной смеси при температуре 1100-1300°С в течение не менее 6 часов с обеспечением гидридно-кальциевого синтеза порошка сплавов на основе интерметаллида TiNi.

Изобретение относится к области сварки, а именно к сварочной проволоке, предназначенной для использования при сварке вместе частей деталей, состоящих из сплава Fe-36Ni.

Изобретение относится к получению порошков жаропрочных никелевых сплавов. Способ включает плавление торца вращающейся цилиндрической литой заготовки потоком плазмы с обеспечением центробежного распыления расплава и образованием частиц затвердевающих в микрослитки при полете в атмосфере холодной плазмообразующей смеси газов, содержащей инертные газы и водород.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к способу изготовления никель-титановых прокатных изделий, и может быть использовано для изготовления исполнительно-приводных механизмов, имплантируемых стентов и других медицинских устройств.

Группа изобретений относится к спеченному композитному материалу и получению из него инструментов, а именно формующих или измельчающих. Способ получения спеченного композитного материала включает спекание состава, содержащего по меньшей мере один твердый носитель, выбранный из группы, состоящей из карбидов, нитридов, боридов и карбонитридов, и связующий сплав, включающий от 66 до 93 мас.% никеля, от 7 до 34 мас.% железа, от 0 до 9 мас.% кобальта и до 30 мас.% одного или нескольких элементов, выбранных из группы, состоящей из W, Mo, Cr, V, Та, Nb, Ti, Zr, Hf, Re, Ru, Al, Mn, B, N и С.

Изобретение относится к электрохимическому получению наноразмерных порошков интерметаллидов гольмия и никеля, которые могут быть использованы в качестве катализаторов в химической и нефтехимической промышленности, в водородной энергетике для обратимого сорбирования водорода, а также для создания магнитных материалов.

Изобретение относится к области металлургии, преимущественно к композиционным материалам на основе нитинола, и предназначено для изготовления деталей микромашин и механизмов, медицинских инструментов.
Наверх